Big tech är ivriga att få oss entusiastiska över kommande metaversumet, men dagens virtuell verklighet hårdvaran är långt ifrån att uppfylla sina ambitiösa mål. En av de största utmaningarna är att bygga bättre skärmar med mycket fler pixlar per tum, men experter säger nya material och design är på väg.
Silicon Valley satsar miljarder dollar som ininternet är på väg att genomgå dess största förändringen sedan smartphonens tillkomst. Snart, tänker man, kommer de flesta att komma åt web via bärbara headset som transporterar oss in virtuella världar istället för att trycka på en pekskärm.
Men idag, virtuell och förstärkt verklighet är fortfarande ganska rudimentärt. Medan företag som Meta, Microsoft, Google och Magic Leap redan säljer headset för virtuella och förstärkta verkligheter, har de hittills hittat begränsade användningsfall, och upplevelserna de erbjuder är fortfarande långt ifrån de högupplösta standarder som vi har förväntat oss. från digital underhållning.
En av de största begränsningarna är nuvarande bildskärmsteknik. I ett VR-headset sitter skärmarna bara några centimeter framför våra ögon, så de behöver packa ett stort antal pixlar på ett mycket litet utrymme för att närma sig den definition du kan förvänta dig av den senaste 4K-TV:n.
Det är omöjligt med dagens skärmar, men i en perstänkbar publicerade förra veckan in Vetenskap, säger forskare från Samsung och Stanford University att framväxande teknologier snart kan få oss nära den teoretiska gränsen för pixeltäthet, vilket inleder kraftfulla nya VR-headset.
Ansträngningar för att öka prestanda för skärmar kompliceras av det faktum att detta direkt konkurrerar med ett annat avgörande mål: framställning de är mindre, billigare och mer energieffektiva. Dagens enheter är skrymmande och svårhanterliga, vilket begränsar hur lång tid de kan bäras och i vilket sammanhang de kan användas.
En viktig anledning till att headset är så stora idag är mängden optiska element de har och behovet av att ha tillräckligt med utrymme mellan dem och bildskärmarna för att fokusera ljuset ordentligt. Medan nya kompakta linsdesigner och användningen av metasytor-nanostrukturerade filmer med unika optiska egenskaper - har tillåtit en viss miniatyrisering på detta område, säger författarna, det här kommer sannolikt att nå sina gränser.
Nya mönster som holografiska linser och "pannkakslinser" som involverar studsande ljus mellan olika bitar av plast eller glas kan hjälpa till att minska avståndet mellan lins och skärm med en faktor två till tre. Men var och en av dessa interaktioner minskar ljusstyrkan på bilderna, vilket måste kompenseras för av mer kraftfulla och effektiva skärmar.
Bättre skärmar behövs också för att lösa en annan viktig begränsning av dagens enheter: upplösning. Ultra-HD TV-skärmar kan uppnå pixeltätheter på cirka 200 pixlar per grad (PPD) på avstånd på cirka 10 fot, långt över de cirka 60 PPD som det mänskliga ögat kan urskilja. Men eftersom VR-skärmar är högst en tum eller två från tittarens ögon, kan de bara uppnå cirka 15 PPD.
För att matcha upplösningsgränserna för det mänskliga ögat, VR skärmar måste klämma in mellan 7,000 10,000 och 460 XNUMX pixlar i varje tum av skärmen, säger författarna. För sammanhanget hanterar de senaste smartphoneskärmarna bara cirka XNUMX pixlar per tum.
Trots storleken på det gapet finns det redan tydliga vägar för att stänga det. För närvarande använder de flesta VR-headset separata röda, gröna och blå organiska lysdioder (OLED), som är svåra att göra mer kompakta på grund av deras tillverkningsprocess. Men ett alternativt tillvägagångssätt som lägger till färgade filter till vita OLED:er kan göra det möjligt att uppnå 60 PPD.
Att förlita sig på filtrering har sina egna utmaningar, eftersom det minskar ljuskällans effektivitet, vilket resulterar i lägre ljusstyrka eller högre strömförbrukning. Men en experimentell OLED-design känd som en "meta-OLED" kan få aavrunda denna avvägning genom att kamma ljuskällan med nanomönstrade speglar som utnyttjar fenomenet resonans för att bara avge ljus från en viss frekvens.
Meta-OLEDS skulle potentiellt kunna uppnå pixeltätheter på mer än 10,000 XNUMX PPD, och närma sig de fysiska gränserna som sätts av ljusets våglängd. De kan också vara mer effektiva och ha förbättrad färgdefinition jämfört med tidigare generationer. Men trots stort intresse från företag inom bildskärmsteknik är tekniken fortfarande begynnande och troligen längre bort från kommersialisering.
Den mest troliga innovationen på kort sikt inom bildskärmar, säger författarna, är en som utnyttjar en egenhet av mänsklig biologi. Ögat kan endast särskilja 60 PPD i den centrala delen av näthinnan som kallas fovea, med betydligt lägre känslighet on periferin.
Om ögonrörelser kan spåras exakt behöver du bara återge den högsta definitionen i den specifika delen av skärmen som användaren tittar på. Medan de nödvändiga förbättringarna i ögon- och huvudspårning lägger till extra komplexitet till design, säger författarna att detta förmodligen är innovationen som kommer att ske snarast.
Det är viktigt att komma ihåg att det finns en mängd problem annat än bara bättre skärmar som kommer att behöva lösas om VR ska bli allmänt kommersialiserat. Speciellt väcker drivning av dessa headset komplicerade utmaningar kring batterikapacitet och förmågan att avleda värme från ombordelektronik.
De skärmtekniker som diskuteras av forskarna är också i första hand relevanta för VR och inte AR, vars headset sannolikt kommer att förlita sig på mycket olika optisk teknologi som inte skymmer bärarens syn på den verkliga världen. Hur som helst, men det verkar som att även om mer uppslukande virtuella upplevelser sannolikt fortfarande är en bit bort, är färdplanen för att ta oss dit väl på plats.
Image Credit: Harry Quan / Unsplash
